基于新型高可靠性甲烷傳感器的原理與設計方案

　0 引言

　　為了適應煤炭工業向機械化和自動化方向發展,確保礦井的生產安全,防止瓦斯爆炸事故的發生,礦用甲烷傳感器的研究和設計從未停止過。現有的甲烷傳感器普遍存在著功耗較大、功能單一、精確度不高的缺點,而且采用模擬電路技術,造成系統的抗干擾能力和智能化程度都很低。因此,研制便于攜帶、多功能、高精度和抗干擾能力強的高可靠性甲烷檢測儀具有很大的應用價值。

　　1 儀表新特點

　　甲烷傳感器是一種礦用儀表,必須首先滿足井下安全生產的規程,但較其他普通傳感器又有如下主要特點:

　　(1)高可靠性處理

　　低功耗采用AT89LV51 單片機進行集中處理,從而大大減少了繁瑣的模擬電路和元器件,節省了電路功耗。

　　(2)高精度要求

　　片內對黑白元件電路的設置。

　　煤礦安全規程規定,甲烷濃度超過1%時,傳感器應進行報警;超過1.5%時,井下設備應斷電;超過2%時應立即撤離所有人員。文中研究的甲烷傳感器檢測范圍為0%～4%,完全滿足煤礦安全規程的要求。

　　在0%～4%甲烷濃度有效檢測范圍之內的測量誤差為:

　　當甲烷濃度為0%～1% 時, 誤差范圍≤±0.1%;

　　當甲烷濃度為1%～2% 時, 誤差范圍≤±0.2%;

　　當甲烷濃度為2%～4% 時, 誤差范圍≤±0.3%。

　　(3)高智能化

　　采用紅外遙控和機載按鍵兩種方式。正常工作時,儀表配有時間顯示。

　　(4)功能強大的數字處理方式打破以往甲烷傳感器功能單一的缺點,加入了方便井下工人使用的輔助功能,如礦井環境溫度顯示、年月日時間顯示、儀器電量檢測、歷史濃度數據存儲等。

　　2 儀器工作原理

　　傳感器系統中以AT89LV51單片機為中心,傳感器檢測井下的甲烷濃度,甲烷傳感器線性輸出與濃度成正比的電壓信號經放大器放大之后輸入至A /D轉換器,轉換之后得到數字信號送入單片機,單片機進行相應的處理之后送入LCD顯示相應的濃度值。當甲烷濃度超出安全值進行聲光報警,工作原理如圖1所示。

圖1 甲烷傳感器工作原理圖

　　溫度測量:由溫度傳感器檢測環境溫度,輸出相應的電壓信號直接送入A /D轉換器的模擬輸入通道,轉換成數字信號之后送入單片機進行數據處理,最后由LCD顯示溫度。

　　電量檢測部分:在電源端設置相應的檢測電路,同樣由單片機處理之后在液晶屏上用圖形的方法顯示剩余電量。

　　紅外遙控部分: TOSH IBA的TC9148P紅外調制發射芯片,有選擇、上調、下調三鍵。

　　看門狗部分: 采用XICOR 公司帶有串行接口EEPROM的看門狗芯片X5045,在傳感器開始階段進行設置,并且將其設置數據保存在EEPROM中。

　　時間顯示部分:加入專用的時鐘芯片產生日歷和時鐘,與單片機連接進行時間調節和顯示控制。

　　3 硬件電路工作原理

　　3.1 檢測電路

　　3.1.1 甲烷傳感器工作原理

　　甲烷檢測的方法有很多種,如熱導法、紅外光譜系數法、超聲波測量法、氣敏半導體法、熱載體催化元件檢測法等。儀表采用熱載體催化元件檢測法,這種元件內部以鉑絲為核心,外部以氧化鋁為載體,載體上涂有催化劑,當鉑絲通過一定的電流且元件處于含有甲烷的氣體中時,表面會產生無焰燃燒,使鉑絲因溫度增加而阻值增加,從而實現對甲烷的檢測。目前甲烷傳感器均采用這種方法。采用熱載體催化元件檢測甲烷濃度的原理如圖2所示。它是一個簡單的電橋,催化元件r1 (黑元件)作為工作元件, r2 (白元件)作為對比元件。R2 用于補償r1 , r2 的不一致。當無甲烷時, 調節RP使電橋處于平衡狀態, r1 , r2 中流過相同的恒定電流, 并使兩元件溫度上升到500 ℃左右。當有甲烷時甲烷與氧氣在工作元件表面發生反應,放出的熱量使工作元件溫度升高ΔT,從而引起工作元件電阻增加Δr,使電橋失去平衡,產生一個與甲烷濃度成正比的電壓信號輸出,測出此信號的大小即可知道甲烷濃度的高低,信號將輸出到A /D轉換電路。

圖2 載體催化元件檢測甲烷濃度的原理

　　3.1.2 甲烷檢測橋路

　　將圖2簡化如圖3所示。當電橋輸出端接至高輸入阻抗裝置(如運算放大器或數字電壓表等)時,電橋相當于工作在輸出開路狀態,其輸出電壓為:

圖3 簡化電路

　　3.2 A /D轉換電路

　　根據該傳感器的多功能與高精度要求,A /D轉換電路采用TLC2543C,把測量模擬信號轉換成數字信號。TLC2543C為10位開關電容逐次逼近的模數轉換器。通過一個串行的3態輸出端與主處理器或其他外圍器件相連,減少了硬件走線。除了高速轉換和通用控制功能之外,器件具有11路的模擬輸入端,完全能夠滿足多路采樣和功能升級。器件的轉換器結合外部輸入的差分高阻抗基準電壓,具有簡化比例轉換以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的特點。開關電容的設計還可以使在整個溫度范圍內減小轉換誤差,提高系統的精度。

　　3.3 顯示電路和RS232串行口通信電路及硬件看門狗電路

　　為了適應礦井環境,該傳感器采用帶背光的寬液晶顯示屏,增強視覺效果,并且帶有日歷、時間顯示功能。

　　與PC機進行通信,存儲數據,從而對礦井環境建立數據庫,對環境進行分析,單片機的串行口加上MAX232電平轉換器,采用3線制與PC機進行數據傳送,波特率為9 600 bp s。單片機T1計數器作為串行口發送和接收數據的波特率發生器。采用XI2COR公司帶有串行接口( SP I) EEPROM的看門狗芯片X5045,在傳感器初始化時進行設置,并且將其設置數據保存在EEPROM中。使整個系統的可靠性大大提高,而且最大程度的節省了系統的資源。

　　3.4 外遙控電路和放大電路

　　系統中也使用了紅外通信的模式。TOSH IBA的TC9148P紅外調制發射芯片,有單鍵發射功能和連續發射功能。遙控發射器的選擇、上調、下調三鍵均采用連續發射的模式。接收部分只采用了紅外接收頭,在單片機內部實現了軟件解碼的功能。紅外遙控的使用使得操作方便、可靠。

　　采用數字電位器X9313 取代了模擬電位器。對傳感器的精度和靈敏度進行調整,使得精度和準確度提高。

　　4 軟件設計和算法實現

　　系統上電后,首先對單片機進行初始化,然后對A /D進行初始化,之后系統開始工作。首先采樣甲烷濃度并顯示,超過安全值報警; 然后采樣環境溫度并顯示; 最后顯示時間,循環采樣并實時顯示。

　　另一方面用外部中斷INT0等待鍵盤輸入,INT0中斷即進入鍵盤設置程序,可調整日歷時間、設置安全報警值。其主程序與PC機和紅外線、鍵盤中斷程序流程圖如圖4所示。在系統工作的初始狀態設定完成之后,可以對甲烷傳感器進行氣體的測定。

　　圖4 主程序與PC和紅外線、鍵盤中斷程序流程圖

　　5 誤差討論

　　5.1 工作電壓帶來的誤差

　　由傳感器測量電路輸出電壓推導公式可知,在對輸出電壓線性化時忽略了二次項,因此存在著非線性誤差,這個誤差可以在單片機中采用模糊數學補償的方法進行消除。在A /D ( TLC2543)轉換通道中,基準電壓的波動可導致不可預測的誤差甚至錯誤結果。這種誤差的消除方法只有在基準電壓輸入端采用精密電源芯片,使電壓值穩定在準確值2.5 V。

　　5.2 算法誤差

　　設計中乘除法采用4字節的定點算法,數字表示范圍是: 0～4 294 967 295。計算結果的相對誤差在0.9 ×10-4 ,所以計算精度可以得到保證。最終的相對誤差在0.3%以下。

　　6 結論

　　(1)處理芯片的升級,滿足0%～4%甲烷濃度測量。在此范圍之中測量誤差在0.3%以內。甲烷濃度超出安全值準確報警,同時可測量和顯示環境溫度。

　　(2)傳統儀表功能擴展:日歷、時鐘顯示,紅外遙控芯片使用和硬件看門狗電路。

　　(3)測量儀表自動化程度高,無需大量手工操作。可與PC機進行通信,為礦井環境數據庫的建立,從而分析井下環境走勢提供了必要條件。尤其是儀表的紅外芯片的使用方便了調試和使用。

　　(4)實現了低功耗,高可靠性,操作方便。正常工作情況下處于充電,備用電池在現場斷電情況下自動切換。

　　在目前的試用中,對該傳感器的設計反映很好,它能夠可靠、穩定、安全的測量井下瓦斯,對于預防井下安全事故起到了重要作用,具有推廣應用價值。